(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上のアライメントマークの位置を検出する位置検出装置において、
第１開口部および第２開口部が形成された開口部材を有し、該第１開口部を通過した光を前記物体面上に斜め方向から照射し且つ該第１開口部を該物体上に結像する照明光学系と、
光電変換素子を有し、該物体面上からの反射光束を受光して該物体上の該第１開口部の像を該光電変換素子上に再結像する検出手段とを備え、
該照明光学系は、該第２開口部を通過した光を該物体に導光することなく該検出手段に導光する反射部材を有し、
該再結像に係る該第１開口部の像と該反射部材を介して形成された該第２開口部の像との該光電変換素子上での相対位置の情報を該検出手段により得、得られた該情報に基づいて前記アライメントマークにピントを合わせる、ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記第１開口部と前記第２開口部とを照明するための光源を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記光電変換素子により得られる前記第１開口部の像に対応する第１信号の強度に比べ、前記光電変換素子により得られる前記第２開口部の像に対応する第２信号の強度が小さくなるように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記開口部材は、前記第１開口部を挟む２つの前記第２開口部が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記検出手段の検出範囲から前記物体を退避させて、前記第２開口部の像の位置を前記検出手段により得る、ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記光源は、前記第１開口部を照明する光源と前記第２開口部を照明する光源とを含む、ことを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記反射部材は、前記第２開口部と共役な位置に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の位置検出装置を備え、該位置検出装置によりアライメントマークの位置を検出された物体を露光する、ことを特徴とする露光装置。
【請求項９】
請求項８に記載の露光装置を用いて物体を露光するステップと、前記ステップで露光された該物体を現像するステップとを有する、ことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体上のアライメントマークの位置を検出する位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の半導体素子の製造技術の進展は目覚ましく、また、それに伴う微細加工技術の進展も著しい。特に光加工技術はサブミクロンの解像力を有する縮小投影露光装置、通称ステッパが主流であり、更なる解像力向上に向けて光学系の開口数（ＮＡ）の拡大や、露光波長の短波長化が図られている。
露光波長の短波長化に伴って、露光光源もｇ線、ｉ線の高圧水銀ランプからＫｒＦ更にＡｒＦのエキシマレーザに変移してきている。
【０００３】
一方、投影パターンの解像力の向上に伴って、投影露光装置に於けるウエハとマスク（レチクル）を相対的位置合わせするアライメントについても高精度化が必要とされている。投影露光装置は高解像度の露光装置であると同時に高精度な位置検出装置としての機能も要求されている。
【０００４】
更に近年では、半導体製造工程として、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる、ウエハ表面の平坦化技術の導入が推進されて来ている。ＣＭＰを推進する背景としては、露光光の短波長化に伴い、露光像面の焦点深度の減少化がある。更に、半導体チップ自体の高集積化が進むに連れて、縦構造が従来に比べ厚くなる為、露光領域全てに対してフォーカスを合わせる事が困難となる。従って、段差を平坦化する事で、焦点深度内にウエハ上の全てのチップ全域に対して焦点を合わせる事が出来ると言うメリットがある。
【０００５】
こうした背景の下で、ウエハのアライメント方式としては、オフアクシスアライメント検出系（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ  ＡＡ以下「ＯＡ」と呼ぶ。）がある。これは、投影露光光学系とは、異なる位置に配置され、投影露光光学系を介さずに、ウエハ上のアライメントマークの位置を検出し、その検出結果に基づいてウエハの位置合わせを行う。
【０００６】
一方、従来のアライメント方式として、ＴＴＬ−ＡＡ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  Ｌｅｎｓ  Ａｕｔｏ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）と呼ばれる投影光光学系を介して、非露光光のアライメント波長を用いてウエハ上のアライメントマークを検出する方法がある。
【０００７】
ＴＴＬ−ＡＡのメリットとしては、投影露光光学系の光軸とＴＴＬ−ＡＡの光軸（所謂、ベースライン）が非常に短く配置出来る為、アライメント計測時と露光時のウエハステージの駆動量が少ない。従って、ウエハステージ回りの環境変化による投影露光光学系の光軸とＴＴＬ−ＡＡの光軸の距離の変動で発生する測定誤差を抑える事が出来る。つまり、ベースラインの変動が少ないと言うメリットがある。
【０００８】
ところが、露光光がＫｒＦレーザやＡｒＦレーザと言った短波長光に移行すると、使用硝材が限定される為、投影露光光学系のアライメント波長に対する色収差の補正が困難になる。従って、投影露光光学系の色収差の影響を受けないＯＡ検出系が重要になって来ている。
【０００９】
また、ＯＡ検出系の場合、投影露光光学系を介さない為、任意の波長に対して、或いは、広い波長域の光源を使用出来ると言うメリットもある。広帯域の波長光を使用するメリットとしては、ウエハ上に塗布された感光材（レジスト）に対して、薄膜干渉の影響を除去できるといった事が上げられる。従って、広帯域の波長光に対して収差補正可能なＯＡ検出系は重要なアライメント検出系と言える。
【００１０】
従来のＯＡ検出系を備えた投影露光光学系について、図３に示す概略図を用いて解説する。
露光光源を含む露光照明光学系１（光源としては水銀ランプ、ＫｒＦエキシマレーザ、やＡｒＦエキシマレーザ等）から出射した光ＩＬは、パターンを形成しているマスク（レチクル）２を照明する。この時レチクル２は、レチクル２上方（或いは下方）に配置されたアライメント検出系１１によって投影露光光学系３の光軸ＡＸとレチクルパターンの中心が一致するように、レチクルホルダ１２，１２’に予め位置決めされている。
【００１１】
レチクルパターンを通った光によって、投影露光光学系３によりその像をウエハステージ８上に保持されたウエハ６に所定の倍率で転写する。尚、レチクル上方から照射光を照射し、投影露光光学系を介して、固定位置でレチクルパターンをウエハ６上に順次露光するのがステッパと呼ばれ、レチクル及びウエハが相対的に駆動（レチクルの駆動量はウエハ駆動量の投影倍率を乗じた分）する露光装置をスキャナ（走査型露光装置）と呼ぶ。
【００１２】
一方、ウエハ６にはセカンドウエハと呼ばれる既にパターンが形成されている種類のものが有り、このウエハに次のパターンを形成する場合には、予めウエハの位置を検出しておかなければならない。その位置検出方法に上記のＴＴＬ−ＡＡ方式やＯＡ検出方式がある。
【００１３】
ここでは、ＯＡ検出系を備えたアライメント方式に関して、図３に基づいて解説する。ＯＡ検出系４は図３に示すように投影露光光学系３とは、別個に構成されており、ウエハステージ８を、横方向距離を計測出来る干渉計９に基づいてウエハ駆動系１０で駆動し、ＯＡ検出系４の観察領域にウエハ６を位置決めする。干渉計９によって位置決めされたウエハ６に対して、ウエハ６上に形成されたアライメントマークをＯＡ検出系４で位置検出し、ウエハ６上に形成されたチップ（素子）の配列情報を得ることが出来る。
【００１４】
次に、このチップ（素子）の配列情報に基づいて、ウエハ６を投影露光光学系３の露光領域（レチクルの転写領域）にウエハステージ８を駆動して、順次露光を行っていく。
【００１５】
ここで、通常投影露光光学系３の露光領域には、投影露光光学系３のフォーカス方向を計測するフォーカス検出系５が構成されている。このフォーカス検出系５の構成は、照明光源５０１から出射した光を照明レンズ５０２を介してスリットパターン５０３を照明する。スリットパターン５０３を透過した光で照明光学系５０４、ミラー５０５によってウエハ６上にスリットパターンを結像する。
【００１６】
ウエハ６上に投影されたスリットパターンはウエハ表面上で反射し、照明系と反対側に構成されたミラー５０６、検出光学系５０７に入射する。検出光学系５０７はウエハ６上に形成されたスリット像を光電変換素子５０８上に再結像させる。ウエハ６が上下する事で、光電変換素子５０８上のスリット像が移動し、その移動量からウエハ６のフォーカス方向の距離を測定出来る。通常は、このスリットを複数（ウエハ６上の多点）用意しておき、それぞれのフォーカス位置を検出する事（ウエハ６上の多点計測）で、投影露光光学系３のレチクル像の像面に対するウエハの傾きを計測する事も出来る。ウエハ駆動系１０によるウエハステージ８の駆動は制御ユニット１４によって制御される。
【００１７】
一方、更にＯＡ検出系４について、図４の概略図を参照しながら解説する。図４中に於いて、照明光源４０１（ファイバ等）から導光された光は、照明光学系４０２により、偏光ビームスプリッタ４０３に導かれる。偏光ビームスプリッタ４０３によって反射された紙面垂直なＳ偏光光は、リレーレンズ４０４、λ／４板４０９を通過した後、円偏光に変換され、対物レンズ４０５を通ってウエハ６上に形成されたアライメントマークＡＭをケーラ照明する。
【００１８】
アライメントマークＡＭから発生した反射光、回折光、散乱光は、再度対物レンズ４０５、λ／４板４０９を戻り、今度は紙面に平行なＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４０３を通過し、結像光学系４０７によって、アライメントマークＡＭの像を光電変換素子４０８（例えばＣＣＤカメラ）上に形成する。光電変換されたアライメントマーク像の位置に基づいて、ウエハ６の位置を検出する。
【００１９】
この時、ウエハ６上のアライメントマークＡＭを精度良く検出する為には、アライメントマークＡＭの像が明確に検出されなければならない。つまり、ＯＡ検出系４のピントがアライメントマークＡＭに合っていなければならない。
【００２０】
ところが、以上の様なＯＡ検出系には周辺の空間の制限により通常、投影露光光学系３には構成されているフォーカス検出系５を構成出来ない。
その為、ＯＡ検出系４に別個のフォーカス検出系が無い場合、一旦、投影露光光学系３の下に構成されているフォーカス検出系５でフォーカス値を測定し、その後ＯＡ検出系の計測領域に駆動してから、位置検出マークの観察を行わなくてはならない。
【００２１】
この様にすると、例えばウエハステージの横方向駆動による他成分としてフォーカス方向に駆動エラーが発生してしまったり、ウエハが傾いてしまうと、ＯＡ検出系４にとってウエハ全体にフォーカスを合わせる事が困難になってしまう。そこで、ウエハ６上の複数のチップに対して、位置検出する度に、例えば画像のコントラストを計測するような、フォーカス方向に位置を振りながら複数の計測を行う（以下「駆動ＡＦ計測」）フォーカス計測を行わなくてはならず、スループットの減少が発生する。
【００２２】
そこで、ＯＡ検出系自体に、フォーカス検出系５に相当するフォーカス検出系を構成させる事が考えられている。
従来のＯＡ検出系４に構成されているフォーカス検出系（以下「ＡＦ系」という。）を図５の概略図に基づいて解説する。尚、位置検出系として機能する部分（上述済み部分）に関しては、同じ符号を記し、説明は省略し、異なる部分のみについて解説する。
【００２３】
ＡＦ用の光源４１３から出射した光は、照明レンズ４１４により、パターンが形成されたスリット４１６（１本、又は複数本）を照明する。尚、スリットを複数本構成する効果としては、スリットの位置検出（後述）する際の測定精度を向上（平均化効果）させる為である。スリットを抜けた光は、更に照明レンズ４１５及びミラー４１８により、第２リレーレンズ４１２に導光される。ミラー４１８は後述する対物レンズ４０５の観察物体のフーリエ変換面（以下「瞳面」という。）とほぼ共役位置に配置されている。第２リレーレンズ４１２を通った光は中間結像面ＩＰでスリット像を結像し、その後、第１リレーレンズ４１１、ミラー４１０、対物レンズ４０５によって、観察物体上（ウエハ６上）にスリット像を結像している。尚、予め位置検出系の光源波長とＡＦ系の光源波長を異ならしており、ミラー４１０は、ダイクロミックミラーで構成する事で、ＡＦ系の光は反射し、位置検出系の光は透過させることができる。
【００２４】
また、図５に示すように照明系の光束ＦＩＬは、対物レンズの瞳面上で光軸から偏心した位置を通る様に構成されている。その為、ウエハ６上ではスリットの光束ＦＩＬが傾いた角度から入射し、ウエハ６上（観察物体上）で反射した光は、対物レンズ４０５の瞳面上の照明光ＦＩＬが通過した位置に対して、光軸に対称な位置を通過してミラー４１０、第１リレーレンズ４１１に向かう。第１リレーレンズ４１１によって、ウエハ６上に形成されたスリット像をＩＰ面上に再度結像し、第２リレーレンズ４１２を通過した後、対物レンズの瞳面と共役な開口絞り４２１を通過して結像レンズ４２０によって光電変換素子４１９上に、再度スリット像を結像する。この様な光学配置によってＡＦ系を構成し、ウエハ６（観察物体）が上下駆動に対して、光電変換素子４１９上のスリット像が移動し、その移動量からウエハ６（観察物体）のフォーカス方向の位置を検出する事が出来る。
【００２５】
従来この様なＡＦ系には、光電変換素子４１９等の変動成分を除去する為に、基準となる光も構成されている。本図に於いては、第２リレーレンズ４１２と結像レンズ４２０の間に、ハーフミラー４２５が構成されており、このハーフミラー４２５によって、基準光を光電変換素子４１９上に導光している。
【００２６】
光源４１３とは別な光源４２９から出射した光は、ＡＦ基準光照明レンズ４２８によって、基準光スリット４２７上を均一に照明する。
【００２７】
基準光スリット４２７を通過した光は、ＡＦ基準光照明光学系４２６、ハーフミラー４２５、結像レンズ４２０によって、基準光スリット像を光電変換素子４１９上に結像させている。
【００２８】
基準光と検出光との関係について、もう少し解説すると、基準光と検出光は別な光源を用いるようになっており、基準光を点灯した場合、検出光は消灯した状態にする。すると、光電変換素子４１９上では、基準光のみ検出され、基準となる位置を決定する。次に、測定すべきウエハ６が測定領域にある状態で、基準光側を消灯し、検出光側を点灯する。検出光は上記の様な光路を通り、光電変換素子４１９上に検出光スリット像を結像させる。先に検出された基準光の位置と検出光の相対位置を検出する事で、ウエハ６のフォーカス方向の位置を検出する事が出来る。この様にすることで、仮に、光電変換素子４１９の位置が経時的（基準光測定から検出光測定までは十分に安定している。）に変化した場合でも、基準光と検出光の相対位置を検出している為、そうした変動成分を除去することが出来ていた。
【００２９】
以上の様なＡＦ系を位置検出系に構成する事で、ウエハ６のあるチップで位置検出系のベストピント位置をこのＡＦ系で測定しておけば、次のチップに移動した際には、このＡＦ系から計測されるフォーカス値を使って常にベストピント位置に駆動する事が出来る。
そうすることで、各チップで駆動ＡＦ計測を行わなくて良い為、スループットの向上も図る事が出来ていた。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の様なＡＦ系には測定誤差を発生する要因が含まれている。それは、検出光スリット４１６自体が測定方向（光電変換素子上のスリットの移動方向）に動いてしまった場合、フォーカスが変化していないのにも関わらず、フォーカスがずれて測定されてしまう。
【００３１】
この現象は、検出光スリット４１６だけではなく基準光スリット４２７自体が変動してしまった場合、または、中間に構成されているＡＦ基準光照明光学系４２６、結像レンズ４２０、第２リレーレンズ４１２の偏心や中間に構成されているミラー４１８、４２５の傾き偏心が発生しても同様な計測誤差を発生してしまう。
また、従来の様な基準光を生成する別の光学系を構成する事は、以上の様な逆に誤差要因を発生する原因になってしまう。
【００３２】
一般に、この様なＡＦ系は、対物レンズ自体のもっているＮＡよりもウエハ６（観察物体）上の照明光の入射角が小さくしか構成できない。その為、フォーカス変動に対する光電変換素子上のスリットの移動敏感度が小さい。つまり、光電変換素子上のスリット像の微小量移動からフォーカス変動を測定しなければならず、この事がスリット自体等々の変動による測定誤差への影響度が大きくなってしまう事を意味している。
【００３３】
本発明は上記の問題に鑑み、アライメントマークにピントを合わせる精度の点で有利な位置検出装置を提供することを目的とする。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、物体上のアライメントマークの位置を検出する位置検出装置において、
第１開口部および第２開口部が形成された開口部材を有し、該第１開口部を通過した光を前記物体面上に斜め方向から照射し且つ該第１開口部を該物体上に結像する照明光学系と、
光電変換素子を有し、該物体面上からの反射光束を受光して該物体上の該第１開口部の像を該光電変換素子上に再結像する検出手段とを備え、
該照明光学系は、該第２開口部を通過した光を該物体に導光することなく該検出手段に導光する反射部材を有し、
該再結像に係る該第１開口部の像と該反射部材を介して形成された該第２開口部の像との該光電変換素子上での相対位置の情報を該検出手段により得、得られた該情報に基づいて前記アライメントマークにピントを合わせる、ことを特徴とする位置検出装置である。
【００３８】
【実施例】
（第１の実施例）
まず、第１の実施例に係る位置検出装置または像検出装置のＡＦ系に関する測定原理について、図２を用いて詳細に解説する。尚、図２に示す構成要素に関しては、ＡＦ系に関する構成要素のみを抽出して解説する。
【００３９】
まず、ＡＦ用光源４１３から出射した光は、複数のスリットを有するスリット部材４１６を均一に照明する。スリット部材４１６の開口部であるスリット４１７を通過した光は、ＡＦ照明光学系４１５を通った後、ミラー４１８によって、対物レンズ４０５側に導光される。尚、対物レンズ４０５とＡＦ照明光学系４１５によって、ウエハ６面上とスリット部材４１６とは、共役な関係（結像関係）になる。ＡＦ照明光ＦＩＬは、対物レンズ４０５の瞳面に対し、偏心した位置を通して、ウエハ６上に導光される為、ウエハ６上に傾いた方向（角度θ）から入射し、スリット像をウエハ６上に結像している。また、ウエハ初期状態としては、実線で示した（フォーカス位置）焦点位置にあるとする。
【００４０】
ウエハ６で反射した光（スリット像）は、入射角度θと同じ角度で反射し、対物レンズ４０５を透過して、検出系開口絞り４２１を通過する。開口絞り４２１を通過した光は、ＡＦ系リレーレンズ４２０を通過した後、焦点位置を検出する検出手段を構成する光電変換素子４１９上にスリット像を結像させる。
【００４１】
ここで、開口絞り４２１の大きさに付いて解説すると、この開口絞り４２１の大きさとスリット部材４１６の幅は以下の条件を満足する関係になる様に、決めるとよい。
【００４２】
本実施例に於いては、開口絞り４２１の大きさとスリット部材４１６の大きさ（スリット幅）を最適にすることで、光電変化素子４１９を検出光ＦＭＬの主光線に対して、垂直になるように配置する事が出来る。光電変換素子４１９を垂直に配置する事で、光電変換素子４１９の光の入射角度に依存した感度ムラの影響を除去出来る。その為には、ウエハ６上に結像されるスリット部材４１６のスリットの大きさ（スリット幅）に対して、開口絞り４２１の大きさで決まるウエハ６上のＮＡ（図中：α）（つまり解像力）を計測したいフォーカス範囲に対して、スリット像のコントラスト変化の影響が発生しない様に絞れば良い。（スリット部材４１６の焦点深度をフォーカス計測範囲よりも大きくする。）そうすることで、ウエハ６の面と光電変化素子４１９の面を検出光ＦＭＬの主光線に対して、所謂シャインプルーフの関係にする必要が無く、つまり、検出光ＦＭＬの主光線に対して垂直に配置する事が出来る。
【００４３】
ところで、ウエハ６の面が検出光ＦＭＬの主光線方向に△Ｚだけずれた位置にあるとする。すると、ウエハ６上に投影されたスリット像は、２△Ｚ×ｔａｎθ分だけずれた位置になる。尚、上記の様に開口絞り４２１の大きさを決めている為、ΔＺフォーカスが変動しても、ウエハ６上に投影されるスリット像のコントラストは殆ど変化しない。
【００４４】
先と同様に、対物レンズ４０５の瞳面に配置された開口絞り４２１を通過した（破線で示した光）ＦＭＬ’は、ＡＦ系リレーレンズ４２０を通過し、ウエハ６上のスリット像を先とはｄだけずれた位置で光電変換素子４１９上に結像させる。ここで、対物レンズ４０５及び、ＡＦ系リレーレンズ４２０で決まるウエハ６から光電変換素子４１９上までの結像倍率をβとすると、デフォーカス量△Ｚと入射角度θには、以下の関係が成り立つ。
【００４５】
ｄ＝２×β×△Ｚ×ｔａｎθ
これを、△Ｚについて書き改めると、
△Ｚ＝ｄ／（２βｔａｎθ）
となり、設計値的に決まるβ、θ及び、光電変換素子４１９から得られるｄより、デフォーカス△Ｚが求められる。
以上が、本実施例におけるＡＦ系の基本原理であり、更にＡＦスリットをマルチタイプ（複数本）にしたのが、図１２に示すＡＦ系である。
【００４６】
図１２では図２に示すのと同じ構成要素に関しては、同符号を付してあり、それらの構成要素について解説は省略する。
図１２に於いては、ＡＦスリット部材４１６が複数本のスリット（本図では３本）で構成されている。ＡＦスリット部材４１６のそれぞれのスリットＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃを通過した光は、図２に示すのと同様に、ＡＦ照明光学系４１５を通過した後、対物レンズ４０５を通して、３本のスリット像として、ウエハ６面上にその像を投影させる。
【００４７】
その後、ウエハ６面上で反射した光は、対物レンズ４０５を再度通過し、対物レンズ４０５の瞳面（或いは、瞳面近傍）に配置された開口絞り４２１を通過し、ＡＦリレーレンズ４２０によって、光電変換素子４１９上に、スリット像を結像させる。
【００４８】
スリットＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃ、はそれぞれ、光電変換素子４１９上にＭＳａ、ＭＳｂ、ＭＳｃとして結像されている。
【００４９】
尚、この検出系開口絞り４２１の大きさは先に述べた条件を満足する大きさである。
【００５０】
次に、ウエハ６が△Ｚだけずれた位置に配置されたとすると、図２に示す装置について解説したと同様に、光束は破線の様に通過し、光電変換素子４１９上でｄだけ全体がずれた位置（ＭＳａ’、ＭＳｂ’、ＭＳｃ’）にスリット像を結像させる。
【００５１】
３本のスリットはそれぞれ、ｄだけずれた位置で検出される。ここで、３本の平均的な位置を求めることで、平均化効果により、精度が向上する。
【００５２】
一般的に、この様に検出マークを複数本にする事によって、精度が向上し、本ＡＦ系に於いても、マルチマーク（複数本）する事で、検出精度の向上が見込まれる。
【００５３】
以上の様に、スリットをマルチマーク化し、マークの平均的な位置変化ｄを求める事で、ウエハ６の焦点位置をより高精度に検出することが出来る。
【００５４】
次に本発明の第１の実施例に付いて図１に基づいて詳細に解説する。
尚、アライメント検出系としては、前述の図５に示したのと同じ為、解説は省略する。
ＡＦ照明光源４１３から出射した光は、照明レンズ４１４により、スリット部材４１６上を均一に照明する。スリット部材４１６は、複数本（２本以上）のスリットが構成されており（本図に於いては、３本）、今、第１開口部である検出光スリット部４５０を通過した光に付いて、解説する。
【００５５】
スリット部４５０を通過した光ＦＩＬ（実線）は、ＡＦ照明光学系４１５、ミラー４１８、第２リレーレンズ４１２によって、スリット像を中間結像面ＩＰ上に結像している。中間結像面ＩＰ上には、部分的に反射する部分反射部材４２２が構成されている。検出光スリット部４５０を通過した光は、この部分反射部材４２２の透過部を透過し、第１リレーレンズ４１１側にそのまま導光される。第１リレーレンズ４１１を透過した後、ダイクロミックミラー４１０（前述）で反射し、対物レンズ瞳面４０６で偏心した位置を通過する。対物レンズ４０５を通過した光は、瞳面上で偏心している為、ウエハ６面上に斜め方向から照射されて検出光ＦＩＬとなり、スリット部４５０像をウエハ６上に結像させる。ウエハ６からの反射光ＦＭＬは、対物レンズ４０５の瞳面４０６で入射光とは光軸の反対側を通過し、再度、ダイクロミックミラー４１０、第１リレーレンズ４１１、部分反射部材４２２を透過し、開口絞り４２１を通過する。尚、この部分反射部材４２２は、ウエハ６のフォーカス検出位置範囲内で、検出光を遮蔽しない程度の大きさにする必要がある。
【００５６】
開口絞り４２１は、前述の様に、対物レンズ４０５の瞳面４０６と共役或いはほぼ共役な位置に配置され、且つ対物レンズ４０５の光軸中心からは偏心した位置に配置されているのは、前述と同様である。また、開口絞り４２１の大きさは、先に解説した様に、ウエハ６のフォーカス検出範囲内でスリット像のコントラスト変化が許容出来るまで、絞った大きさとしている。開口絞り４２１を通過した光ＦＭＬは、結像レンズ４２０によって、ウエハ６上に結像した検出光スリット４５０像を光電変換素子４１９上に結像している。従って、ウエハ６のフォーカス方向の位置変化を光電変換素子４１９上でのスリット位置として検出する事が出来るのは、原理で解説した通りである。
【００５７】
一方、基準光に関して解説する。スリット部材４１６上の第２開口部としての基準光スリット部４１７を通過した光は、検出光ＦＩＬと同様に、ＡＦ照明光学系４１５、ミラー４１８、第２リレーレンズ４１２を通って、その像は中間結像面ＩＰ上に結像される。但し、この基準光スリット部４１７の結像位置には、部分反射部材４２２の反射面が構成されており、基準光スリット部４１７の光は、第１リレーレンズ側を通過する事無く、直接、第２リレーレンズ４１２、開口絞り４２１側に導光される。その後は、結像レンズ４２０によって検出光と同様に光電変換素子４１９上にその像を結像させている。但し、検出光とは異なった位置に結像されている。基本的なこの位置関係は、スリット部材４１６から光電変換素子４１９までの結像倍率（ＡＦ照明光学系４１５と結像レンズ４２０で決まる）と基準光スリット部４１７から検出光スリット部４５０までの距離とで決まる。
【００５８】
基準光スリット部４１７と検出光スリット部４５０を同じスリット部材４１６に構成し、基準光と検出光の光電変換素子４１９上での相対位置を同時に検出する事で、ウエハ６の焦点位置を検出する事が出来る。
【００５９】
以上の構成を取ることで、従来の様な基準光照明系と言う別光学系を構成する必要が無く、検出系としてシンプルな構成が可能となり、且つ誤差要因が発生する構成要素を削減出来る。また、スリット部材４１６自体の変動、ミラー４１８、ＡＦ照明光学系４１５、第２リレーレンズ４１２、結像光学系４２０、光電変換素子４１９等の多数の構成要素の変動に対して、補正可能となり、ウエハ６面上のより高精度な焦点位置の検出が可能となる。
【００６０】
ここで、基準光と検出光の関係に付いて、図６を用いて詳細に解説する。
まず、図６（ａ）には、スリット部材４１６上のスリット部を示している。ＲＳａ、ＲＳｂは共に、基準光が通るスリット部を示しており、部分反射部材４２２によって、対物レンズ４０５側を介さず直接、光電変換素子４１９側に導光される。
【００６１】
一方、スリット（ＭＳａ、ＭＳｂ、ＭＳｃ：本図では３本）部を通った検出光は、前述の様にウエハ６側まで到達し、光電変換素子４１９上にその像が結像される。この様に、基準光に対して、検出光を挟み込む様に配置する事には、メリットがある。それは、上記の様な検出系には、大小なりとも倍率の誤差や、ディストーションと言った光学的な誤差要因がある。基準光と検出光を挟み込まない配置にすると、上記の光学的な誤差要因を大きく受け、オフセットが発生してしまう。
【００６２】
従って、基準光に対し検出光を挟み込むことで、倍率やディストーションが振り分けられ、このような光学的な誤差要因の影響は受けなくなると言うメリットがある。
【００６３】
ここで、図６（ｂ）には、ウエハ６が基本焦点位置（ベストフォーカス位置）にある場合の、基準光と検出光の光電変換素子４１９から得られる信号波形が模式的に示されている。この様に、ベストフォーカス位置では、基準光の信号に対して、検出光が中心になるように配置されている。ところが、図６（ｃ）に示すように、ウエハ６がフォーカス方向に駆動した場合、検出光信号のみが横方向に移動する。この移動量ｅ（ＲＳａとＲｓｂの中心位置とＭＳａ〜ＭＳｃまでの中心位置ズレ）を検出する事で、ウエハ６の焦点位置を検出する事が出来る。検出光に関しては、３本のスリット像位置から平均的な位置を算出し、この情報により焦点位置を検出する事で、マルチマーク効果（平均化効果）が得られる。
【００６４】
一方、例えば、ウエハ６の焦点位置が変わらずに、光電変換素子４１９が計測方向に動いてしまった場合を考える。この場合（図６（ｄ）、基準光を構成していなければ、検出光の位置は変化してしまう。しかし、本実施例に於いては基準光自体も同量だけ変化し、結果として基準光と検出光との相対位置は変化せず従って、ＡＦ計測だまされは発生しない事となる。
【００６５】
ＡＦ計測には、ウエハ６（測定物体）の反射率によって、光量調整を行う必要がある。
例えば、Ｓｉのウエハ基板とレジストを塗布したウエハ基板では、ＡＦ検出光の光電変換素子４１９まで戻って来る光量は異なっている。勿論、半導体製造過程の様々な工程を考慮するとより反射率変化は大きいと云える。
【００６６】
本実施例では、同一のスリットに基準光と検出光の両方を構成し、且つ同じ光源で照明している。その為、例えば、ウエハ６がＡＦ光源波長に対して反射率が低い場合、検出精度を上げるよう最適光量とする為、光源の光量を上げる必要がある。但し、検出光の光量に合わせて、光源の光量を上げるため、同時に照明されている基準光の光量は非常に大きな物となってしまう。
【００６７】
そうなると、基準光から光がフレア等の漏れ光を発生し、検出光の妨げとなってしまう可能性がある。これに対しては、基準光の光量を予め小さくなる様にしておけば良い。
【００６８】
つまり、基準光を測定する場合、ＡＦ光源の光量を最大にして初めて信号強度が得られる様に基準光スリットの面積を検出光スリットの面積よりも小さくしておく。
【００６９】
或いは、部分反射部材４２２の基準光反射面の反射率を予め小さくしておくと良い。如何なる手法でも、要するに基準光の光量を検出光の光量に比べ、小さくする事が出来れば良い。
【００７０】
以上で説明した構成の場合の計測手順に関して、図７を用いて解説する。
図７（ａ）は、基準光スリットの面積を検出光スリットに比べ小さくしているスリットを示している。計測信号強度は、このスリットの面積に比例して、増減するように構成されている（例えば、非計測方向に積算する）。この様に予め基準光スリット信号強度と検出光スリット信号強度とを比べて基準光の信号強度の方が小さくなるようにしておき、ウエハ６の無い状態で、ＡＦ計測する。その時、図７（ｂ）に示すように、ウエハ６面には反射物体が無い為、基準光の信号しか発生しておらず、基準光の位置だけを検出しその位置を記憶しておく。次に、ウエハ６面上に比較的反射率の高い（ＡＦ光源を暗くする）場合の基準光と検出光信号の模式図を図７（ｃ）に示す。この様に、反射率が比較的高いウエハ６の場合、基準光は検出光信号の外側に、信号強度の低い状態で検出される。従って、検出光への漏れ光の様な現象は発生しない。次に、ウエハ６の反射率が最も悪い（ＡＦ光源が最も明るい）場合の信号を図７（ｄ）に示す。このように、ＡＦ光源を最大にして初めて、基準光の信号が最適になるようにしている為、この場合に付いても、基準光の漏れ光の影響は発生しない。
【００７１】
以上の様に、検出光スリット部４５０と同じ部材に基準光スリット部４１７を設け、中間結像面上に配置した部分反射部材４２２によって、基準光はウエハ６を介さずに直接、光電変換素子４１９ヘ導光し、検出光との相対位置を検出し、ウエハ６の焦点位置検出をする為、基準光専用の光学系が不要となり、且つ多数の変動要因の除去が出来、高精度なＡＦ計測が可能となる。また装置の拡大化を防ぐ事が出来る。
【００７２】
尚、本実施例に示した様な、スリットの配置及びレンズ、ミラーに付いては、これらに限定される物ではない。つまり、基準光スリットと検出光スリットを同一部材上に構成し、基準光だけを検出系内に構成された反射部材によって、光電変換素子４１９側に導光する物で有れば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更は可能である。
【００７３】
但し、本実施例では、スリット部材４１６、部分反射部材４２２、光電変換素子４１９が全て共役関係になるように配置している為、部分反射部材４２２の傾き偏心（当然ミラーの為、平行偏心は効かない）が発生しても、基準光の位置は変化しないと言うメリットもある。
【００７４】
（第２の実施例）
図８には、第１の実施例で示したスリット照明部を表している。上述のように、基準光と検出光を同じ光源で照明し検出する場合、第１の実施例の様に基準光と、検出光との測定タイミングを異ならせ、シリアルに基準光と検出光を測定しなければならない。つまり、基本的に様々のウエハ６（反射率）に対して、基準光と検出光を同時に測定出来ず、その間の変動成分が発生する可能性がある。
【００７５】
そこで、第２の実施例では、ＡＦスリット部の照明系に関して、基準光と検出光を同時に計測出来る構成に付いて解説する。
【００７６】
図９は、光源４１３にバンドルファイバを使った照明系を示している。
このバンドルファイバは、出射口では１本になっており、入射側は２本になっている事を特徴とする。入射側のファイバ１本には、基準光側の光源４３１ａとその光をファイバに導光する照明光学系４３０ａが構成されており、ファイバ４１３ａ側に基準光となる光を導光している。
【００７７】
一方、検出系側は、同様に検出系側の光源４３１ｂとその光をファイバに導光する照明光学系４３０ｂによってファイバ４１３ｂに導光している。光源４３１ａと４３１ｂはそれぞれ独立に光量調整可能な構成になっている。
【００７８】
ファイバ４１３ａと４１３ｂは４１３で１本のファイバとして束ねられ且つ、断面を見ると、内側にはファイバ４１３ｂを充填し、その周辺部に４１３ａを配置するようなファイバになっている。ファイバ４１３の出射端面は、照明レンズ４３２と４１４により、スリット部材４１６上に結像する様になっている。且つその端面の像とスリットの関係は、図に示すように、ファイバ４１３ａ部に基準光スリット部４１７が入り、ファイバ４１３ｂに検出光スリット部４５０が入るように構成されている。この様に、照明系を構成する事で、基準光と検出光を独立に調光できる。従って、ウエハ６の反射率に依存せずに、基準光の光量を最適に出来、ウエハ６に合わせて検出光の光量だけを調光する事ができる。その為、いかなる反射率を持ったウエハ６に対しても、基準光と検出光を同時に計測出来、より焦点位置検出の高精度化を図る事が出来る。
【００７９】
尚、本発明は本実施例に示したファイバの形態に限定される物ではない。つまり、入射光側が２つあり、出射光側が１本になっているファイバを使用し、ファイバ出射端面とスリットが結像関係に構成されている物で有れば、ファイバの断面形状、光学配置は本実施例に限定されない。
【００８０】
（第３の実施例）
第２の実施例と同様に、第３の実施例に係るＡＦ照明系に関して、図１０を用いて解説する。
【００８１】
本図に於いて上述の図９に示したスリット部材４１６から照明レンズ４３２までは同じ構成となっている。異なる点は、スリット部材４１６と共役な面にファイバの代わりに、部分反射ミラー４３３を配置している点にある。部分反射ミラー４３３の反射領域とスリット部材４１６上の検出光スリット部が一致するように配置されている。光源４３５ａから出射した光は、照明光学系４３４ａによって、部分反射ミラー４３３を照明する。部分反射ミラー４３３によって反射した光は、照明レンズ４３２、４１４によって検出光スリット部を照明している。一方、光源４３５ａとは別光源４３５ｂから出射した光は照明レンズ４３４ｂを介して、照明レンズ４３２、４１４を通して、基準光スリット上を照明してる。つまり、部分反射ミラー４３３によって、光源４３５ａの光を検出光スリット部に導光し、部分反射ミラー４３３で遮光されない光源４３５ｂの光を基準光スリット部を照明する様に構成している。
【００８２】
以上の様に、構成する事で、基準光と検出光を別個に調光することが出来、第２の実施例と同様に、基準光と検出光を同時に出射して測定する事が出来る。
【００８３】
（第４の実施例）
上記の例に示す構成では、照明レンズ４３２が構成されなくてはならなかったが、このレンズを構成せずに、同様な効果が得られる第４の実施例に付いて、図１１を用いて解説する。
【００８４】
検出光スリット部を照明する光源４３６ａはある広がりを持った光を出射する。同様に、光源４３６ｂも広がりを持った光を出射する。それぞれの光源４３６ａ，４３６ｂと照明レンズ４１４との間には、部分反射ミラー４３３が構成されている。光源４３６ａ、４３６ｂとスリットはフーリエ変換の関係になっており、光源４３６ｂの出射した光を角度に依存させて遮光するように構成している。この様に構成を簡略化する事が出来、且つ基準光と検出光が独立に調光出来る為、基準光と検出光を同時に出射して計測出来る。従って、より高精度なウエハ６の焦点位置検出が可能となる。
【００８５】
【デバイス生産方法の実施例】
次に上記説明した検出装置を備えた露光装置または露光方法を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
図１３は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を行う。ステップ２（マスクまたはレチクル製作）では設計したパターンを形成したマスク（レチクル）を製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００８６】
図１４は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した位置または像検出装置を有する露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００８７】
本実施例ではこの繰り返しの各プロセスにおいて、上記述べたようにアライメント電子ビームの加速電圧を最適に設定することで、プロセスに影響を受けず正確な位置合わせを可能としている。
本実施例の生産方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度のデバイスを低コストに製造することができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アライメントマークにピントを合わせる精度の点で有利な位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例に係る位置または像検出装置を示す概略図である。
【図２】  本発明の第１の実施例に係るフォーカス検出（ＡＦ）系の原理図である。
【図３】  位置検出系を備えた投影露光光学系の概略図である。
【図４】  位置検出系の概略図である。
【図５】  従来の位置検出装置の一例を示す詳細図である。
【図６】  基準光と検出光信号の模式図である。
【図７】  基準光と検出光光量の関係を示した模式図である。
【図８】  本発明の第１の実施例に係るＡＦ照明系を示す概略図である。
【図９】  本発明の第２の実施例に係るＡＦ照明系を示す概略図である。
【図１０】  本発明の第３の実施例に係るＡＦ照明系を示す概略図である。
【図１１】  本発明の第４の実施例に係るＡＦ照明系を示す概略図である。
【図１２】  マルチマーク化したＡＦ系の原理図である。
【図１３】  微小デバイスの製造の流れを示す図である。
【図１４】  図１３におけるウエハプロセスの詳細な流れを示す図である。
【符号の説明】
１：露光照明光学系、２：レチクル（マスク）、３：投影露光光学系、４：位置検出系、５：フォーカス検出系、６：ウエハ、８：ウエハステージ、１０：ウエハ駆動系、１３：アライメント基準マーク、１４：制御ユニット、４０５：対物レンズ、４１３：ＡＦ光源、４１５：ＡＦ照明光学系、４１６：ＡＦスリット部材、４１７：スリット（第２開口部）、４１９：光電変換素子、４２０：ＡＦ系リレーレンズ、４２１：開口絞り、４２２：部分反射部材、４５０：スリット（第１開口部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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